Спосіб вторинного видалення окалини

Реферат: Спосіб належить до вторинного видалення окалини з металевих смуг, а саме, з тих, що переміщають під час гарячої прокатки сталевих смуг шляхом нагнітання води на їх поверхню за допомогою колекторів з соплами, в які подають воду під тиском. Згідно з винаходом, в соплах створюють низький гідравлічний тиск, що не перевищує 30 бар (бажано нижче 10 бар, але не нижче 4 бар), при цьому для забезпечення термічного впливу води, яку подають на поверхню смуги, зазначені сопла регулюють таким чином, щоб щільність теплового потоку, що виходить зі 2 смуги в результаті охолодження її поверхні водою становила від 6,5 до 20 МВт/м при температурі смуги від 900 до 1100 ºС. UA 97853 C2 (12) UA 97853 C2 UA 97853 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до способу видалення окалини з металевої смуги, зокрема, зі сталевої смуги, що переміщається під час гарячої прокатки, до її входу в чорнові або чистові кліті прокатного стану. Зазвичай таку операцію видалення окалини найчастіше називають "вторинним", на відміну від "первинного" видалення окалини, яке виконують на сталевих слябах на виході з печі нагрівання перед прокаткою. Слід також зазначити, що повторне видалення окалини зі сталевих смуг призначене для очищення поверхні смуги від окалини, яку називають вторинною і яка утворюється при швидкому повторному окисленні гарячого металу під час охолодження смуги на відкритому повітрі після первинного видалення окалини на виході з печі. Таким чином, видалення окалини під час прокатки проводять двічі: спочатку до входу смуги в чорнову кліть, потім до її входу в чистову кліть прокатного стану. Для спрощення в подальшому описі буде розглянуто тільки етап вторинного видалення окалини на вході в чистову кліть. При цьому мається на увазі, що по суті те ж саме належить і до первинного видалення окалини на вході в чорнову кліть. Як правило, вторинна окалина має вигляд липкого шару металевих оксидів зазвичай товщиною від 50 до 100 мкм, який має скоріше нерівну поверхню. Вторинне видалення окалини вважають успішним, коли на вході в чистову кліть отримують сталеву смугу, яка містить на поверхні рівномірний залишковий шар окалини товщиною, яка ледве досягає 20-30 мкм, що дозволяє уникнути прилипання оксидів до прокатних валків. У загальних рисах операція видалення окалини полягає у впливі на поверхню рухомої смуги потужними струменями води, що надходять із колекторів, розташованих на незначній відстані і обладнаних нагнітальними соплами високого тиску, як правило, понад 130-150 бар і навіть в деяких випадках понад 200 бар. Таким чином, комбінують термічний вплив (температура поверхні смуги близько 1100 °С на початку видалення окалини майже миттєво падає приблизно до 600 °С) з механічним впливом, що забезпечується великою кількістю руху водяних струменів при ударі, щоб досягти розтріскування окалини і її видалення з поверхні за рахунок ефекту змиву. Цю операцію зазвичай здійснюють в очисній камері довжиною приблизно від 1 до 2 метрів, яку встановлюють приблизно на відстані 5 метрів від входу в чистові кліті і через яку швидким прямолінійним рухом проходить сталева смуга. В очисній камері встановлені верхні і нижні колектори з соплами, які встановлені з протиточним нахилом близько десяти градусів. Незважаючи на те, що технологічний ланцюг, необхідний для будь-якої лінії з обробки сталі, включає в себе гарячу фазу (якщо тільки прокатний стан не хочуть помістити повністю в атмосферу, що не окислюється, що, зрозуміло, важко уявити), видалення окалини залишається дорогою операцією, причому не стільки через необхідну для цього велику кількість води (спожиту воду рециркулюють), скільки через необхідність наявності обладнання високого тиску. У зв'язку з цим виникає необхідність пошуку можливостей для зниження її вартості, зокрема, в частині обслуговування насосів і трубопроводів та споживання електричної енергії. Завданням винаходу є розробка швидко реалізованого рішення проблеми зниження вартості операції вторинного видалення окалини, тобто рішення, сумісного з простим удосконаленням вже існуючого обладнання і, отже, такого, що не вимагає встановлювання повного комплекту нового обладнання для вторинного видалення окалини. Поставлена задача вирішена в способі вторинного видалення окалини з металевих смуг, зокрема, з тих, що переміщуються під час гарячої прокатки сталевих смуг шляхом нагнітання води на їх поверхню за допомогою колекторів з соплами, в які подають воду під тиском, в якому згідно винаходу, в соплах створюють низький гідравлічний тиск, що не перевищує 30 бар (і особливо нижче 10 бар, але не опускають його нижче приблизно 3 бар), причому для забезпечення термічного впливу води, що нагнітається на очищувану від окалини поверхню, кількісно аналогічного термічній дії, що досягається при відомому звичайному способі видалення окалини під високим тиском (тобто, з охолодженням смуги і пониженням температури її окисленої поверхні приблизно до 600 °С), розміри зазначених сопел визначають таким чином, щоб вони забезпечували витрату води на одиницю площі смуги, аналогічну витраті на одиницю площі, який забезпечує зазначений спосіб з використанням високого тиску. 2 Переважно витрата води на одиницю площі перевищує 2500 л/хв./м , а переважно 2 становить 7500 л/хв./м . Також поставлена задача вирішена в способі вторинного видалення окалини з металевих смуг, зокрема, тих, що переміщуються під час гарячої прокатки сталевих смуг шляхом нагнітання води на їх поверхню за допомогою колекторів з соплами, в які подають воду під тиском, в якому згідно винаходу, в соплах створюють низький гідравлічний тиск, що не перевищує 30 бар, причому для забезпечення термічного впливу води, що нагнітається на очищувану від окалини поверхню, кількісно аналогічного термічній дії, що досягається при 1 UA 97853 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 відомому звичайному способі видалення окалини під високим тиском, вказані сопла регулюють таким чином, щоб щільність теплового потоку (HF), що виходить зі смуги в результаті охолодження її поверхні водою, що нагнітається, була аналогічна щільності теплового потоку, що досягається в відомому способі з використанням високого тиску. У цьому випадку щільність що виходить зі смуги теплового потоку (HF) становить від 6,5 до 2 20 МВт/м при температурі смуги від 900 до 1100 °С. 2 Переважно щільність теплового потоку складає від 10 до 11 МВт/м при температурі смуги від 900 до 1100 °С. Спосіб відповідно до цього винаходу може також містити наступні ознаки, взяті окремо або в комбінації: - В соплах створюють гідравлічний тиск менше 10 бар, але не нижче 3 бар, - Спосіб відповідно до цього винаходу здійснюють на вході в чистові кліті стану для гарячої прокатки сталевих смуг, - Спосіб відповідно до цього винаходу здійснюють на вході в чорнові кліті стану для гарячої прокатки сталевих смуг. Нарешті, поставлена задача вирішена також в устаткуванні для вторинного видалення окалини з рухомих металевих смуг, зокрема, сталевих смуг, що містить колектори з соплами для нагнітання води на поверхню смуги, в якому згідно винаходу, є агрегат "низького тиску" для подачі води у зазначені сопла колектора. Як випливає із зазначеного вище, винахід базується на встановленні того факту, що вторинне видалення окалини забезпечується швидше термічним впливом водяних струменів на охолодження кірки оксидів, ніж їх механічним впливом на подрібнення цієї кірки оксидів на поверхні смуги, або, інакше кажучи, чим ефектом "очищення під високим тиском", виробленим потужними струменями при ударі, як вважалося до цих пір. Щоб охарактеризувати цю схожість термічного впливу між способом відповідно до цього винаходу і класичним способом з використанням високого тиску, слід розглянути або витрату води на одиницю площі, з огляду на те, що цю витрату слід регулювати по температурі смуги безпосередньо перед видаленням окалини, або щільність теплового потоку, що виходить зі смуги, яка включає в себе одночасно параметри температури смуги і витрати води на одиницю площі. Однак незалежно від того чи іншого методу вираження і характеристики способу, мова йде про один і той же базовий висновок, тобто про використання низького тиску зі збереженням термічного ефекту, створюваного при використанні струменів високого тиску. Як на вході в чистові кліті, так і на виході з чорнових клітей, успішне вторинне видалення окалини безпосередньо і по суті тісно пов'язане з термічною ефективністю охолодження шару оксидів, що видаляються, причому незалежно від тиску подачі води в сопла колекторів. Інакше кажучи, за однакової термічної ефективності якість вторинного видалення окалини буде однаковим, незалежно від того, чи виконують видалення окалини струменями високого тиску чи ні. Щоб уникнути неоднозначного розуміння, слід підкреслити, що використовуване в даному випадку висловлення "термічний вплив охолодження" та "термічна ефективність" є еквівалентними. Вони означають, що протягом короткого проміжку часу перебування сталевої смуги в очисний камері (всього близько однієї секунди) забезпечують падіння температури шару оксидів приблизно до 600 °С, причому при будь-якій температурі на вході в цю камеру. Відомо, що відповідною фізичною величиною, звичайно вимірюваною на прокатному стані, є щільність виділення теплового потоку. Таким чином, досить замінити звичайні потужні струмені (100 бар і вище) струменями "низького тиску" (менше 30 бар), щоб забезпечити термічну усадку кірки оксидів, що виражається в відшаруванні цієї кірки, таким, що завершається енергією струменів, яка, хоч і є невеликою, але успішно виконує завдання полегшення видалення окалини за рахунок простої дії води, що омиває поверхню і змиває окалину. Такі каскадні ефекти одержують за допомогою струменів "низького тиску" відповідно до цього винаходу, стежачи при цьому тільки за тим, щоб забезпечувати той же рівень охолодження шару оксидів на смузі, що і за допомогою струменів "високого тиску", причому цього рівня охолодження досягають просто за рахунок збереження витрати охолоджуючої води на одиницю площі смуги. Таким чином, заміна звичайної подачі води "високого тиску" подачею води "низького тиску" є рішенням, яке можна одразу ж застосувати в промислових масштабах, досягаючи, таким чином, істотного економічного ефекту без шкоди для якості видалення окалини. Цей винахід і його особливості та переваги будуть більш зрозумілі з нижченаведеного опису з посиланням на креслення, що додаються. 2 UA 97853 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 На Фіг. 1 зображені криві, що називаються кривими кипіння, побудовані дослідним шляхом і показують порівняльну термічну ефективність вторинного видалення окалини перед входом в чистову кліть, що здійснюється з різними значеннями гідравлічного тиску води, що нагнітається в залежності від поверхневої температури смуги. Ця термічна ефективність кількісно виражається на осі ординат поверхневою щільністю теплового потоку, що виходить (HF) в 2 МВт/м з поверхні металевої смуги; На Фіг. 2 зображена ефективність цього вторинного видалення окалини щодо залишкової товщини шару окалини в мікрометрах (ес) в діапазоні поверхневої температури очищуваної від окалини сталевої смуги (900-1050 °С), спеціально вибирають відповідно до температури на вході в чистові кліті. На Фіг. 1 контрольною кривою є крива А. Ця крива А побудована на підставі даних відомого способу вторинного видалення окалини за допомогою потужних водяних струменів, що виходять з сопел, у яких створюється тиск подачі води 130 бар. Дві інші криві В і С характеризують струмені "низького тиску" в 8 бар кожна, при цьому одну криву (крива В) побудували за даними випробування, що проводиться при витраті води, що нагнітається на одиницю площі, що дорівнює витраті на кривій А зі струменями "високого тиску", тобто при 7500 2 л/хв./м , а іншу криву С побудували на підставі даних випробувань, що проводяться з істотно 2 меншою витратою на одиницю площі: 1500 л/хв./м . Слід зазначити, що критерій регулювання вторинного видалення окалини "низького тиску" відповідно до цього винаходу заснований на збереженні в шарі оксиду термічного ефекту, аналогічного ефекту, що досягається класично з використанням струменів "високого тиску" (крива А). Зрештою цей термічний ефект повинен виражатися в зниженні температури заготовки на 20-100 °С (залежно від марки сталі, що прокатується) між її входом в очисну камеру (наприклад, для вуглецевої сталі зазвичай близько 1100 °С) і її входом в чистові кліті прокатного стану (звичайно близько 1030 °С). Для цього, з огляду на короткий проміжок часу перебування смуги під колекторами (близько однієї секунди), під цими колекторами слід забезпечити охолодження, що різко знижує температуру поверхні смуги приблизно до 600 °С, щоб, з одного боку, швидкість охолодження оксидної кірки була досить високою, щоб одержувана в результаті диференціальна термічна усадка оксидів і металу призвела до відшарування цієї кірки з її максимальним дробленням, і, з іншого боку, щоб подальше неминуче підведення тепла від серцевини смуги до її поверхні підняло температуру останньої до необхідного значення на вході в чистові кліті. Цей термічний вплив, який виражається в підвищеній швидкості миттєвого охолодження поверхні смуги (кілька сотень градусів/сек), при параметризації трьох кривих графіка виражається фізичною величиною, що визначається класично шляхом вимірювання, а саме щільністю теплового потоку, що виходить з виробу під час видалення окалини водою, що 2 нагнітається (Heat Flux або скорочено HF), виражається в МВт/м . При цьому дана характеристична величина є найбільш придатною для визначення розміру установки для 2 видалення окалини, оскільки вона пов'язана з витратою охолоджуючої води на м смуги (витрата води на одиницю площі), який, у свою чергу, є параметром, який можна легко одержати на підставі визначення процесу видалення окалини: схематично певному значенню HF відповідає певна витрата охолоджуючої води на одиницю площі. Таким чином, як видно з графіка, контрольний HF при видаленні окалини "з високим тиском" 2 (крива А) підтримували постійним біля 10 МВт/м протягом всієї операції змивання (поверхнева температура змінювалася від 1100 до 600 °С). Теплові потоки HF при видаленні окалини "з низьким тиском" відповідно до цього винаходу підтримували відповідно в одному діапазоні між 2 2 10 і 18 МВт/м у разі випробування, що характеризує криву В, і між 6 і 10 МВт/м у разі випробування, що характеризує криву С. Значення HF обчислюють на підставі даних, характерних для кожного виду обладнання видалення окалини, найважливішими з яких є температура охолоджуючої води (у даному випадку 20 °С для всіх випробувань), тип нагнітального сопла, тиск води на виході цих сопел, відстань між носиком сопла і поверхнею смуги, що очищується, а також кут струменя розчину на виході з сопла. Слід зазначити однакову форму кривої В і кривої С: загальний підйом до поверхневої температури смуги приблизно в 450 °С, подальший пік з максимумом між 550 і 600 °С для обох кривих, але вже з різною інтенсивністю. Після цього зниження відбувається майже паралельно між обома кривими до 1100 °С, тобто до загальної температури входу випробувальних смуг в очисні камери. Слід також відзначити, що саме при цьому рівні температурного діапазону (1100-900 °С з запасом) спосіб відповідно до цього винаходу представляє найбільший інтерес у промисловому 3 UA 97853 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 плані, тому що майже всі стани для гарячої прокатки сталевих смуг працюють при температурі смуги на вході в чистові кліті в межах від 900 до 1100 °С. При цьому саме в цьому температурному діапазоні спостерігається практично еквівалентна якість видалення окалини між контрольною кривою високого тиску А і кривою низького тиску В. Дану еквівалентність на графіку слід пов'язувати з еквівалентністю значень HF (між 10 і 11 2 МВт/м ). У порівнянні з ними крива низького тиску С, яка характеризується істотно меншим HF 2 (трохи менше 7 МВт/м ), відображає більш низьку якість видалення окалини. Дійсно, як свідчать випробування, проведені на випробувальній промисловій установці і представлені на Фіг. 2, саме в цьому температурному діапазоні відзначають тонкий залишковий шар окалини, товщина якого не перевищує 23 мкм, і застосовують низький тиск при 6 бар або високий тиск при 100 бар, що відображає майже ідентичну якість видалення окалини для цих двох альтернативних варіантів. Слід уточнити, що випробування проводилися на смузі з низько вуглецевої сталі типу ISF з однаковою відстанню "сопло - сталева смуга" 160 мм у кожному випадку. Це ж стосується витрати соплом води, що нагнітається - 1101 л/хв./ швидкості руху сталевої смуги - 60 м/хв., і температури води, що нагнітається – 20 °С. Оцінку ефективності видалення окалини (на осі ординат) проводили шляхом вимірювання товщини залишкової окалини на поверхні смуги при мікрографічному спостереженні зрізів на очищеному виробі. В цілому було встановлено, що видалення окалини відповідно до цього винаходу можна проводити при щільності виділяємого виробом теплового потоку, що становить від 6,5 до 20 2 2 МВт/м , а якщо розглядати витрати води на одиницю площі - то при витраті понад 2500 л/хв./м . Вищезгадані значення щільності потоку вимірюють під колекторами в зоні дії струменів при видаленні окалини. У даному випадку цифри підтверджують те, що вже було зазначено раніше: необхідність роботи з термічною ефективністю (HF), не змінюється в порівнянні з відомим способом при переході від видалення окалини "з високим тиском" до видалення окалини "з низьким тиском". Дійсно, вибір підтримуваного рівня низького тиску виявляється менш важливим, ніж збереження HF, при цьому, зрозуміло, слід уникати дуже великого зниження тиску, наприклад, мінімум має становити близько 3-5 бар. В іншому випадку неможливо досягти необхідної 2 витрати води на одиницю площі, тобто необхідних рівнів HF (близько 10 МВт/м ), якщо тільки не збільшити кількість колекторів, хоча і в цьому випадку залишається небезпека неможливості забезпечення термічної усадки оксидної кірки, необхідної для її відшарування від металевої підкладки. З іншого боку, економічний виграш у промисловій обробці з "низьким тиском" різко падає при рівні тиску понад 30 бар, оскільки необхідне обладнання,яке вже використовується в даний час для видалення окалини "з високим тиском", або подібне йому. Зрозуміло, що цей винахід можна застосовувати при роботі з насосами для подачі води під низьким тиском, що дозволяє заощаджувати енергію і знижувати витрати по обслуговуванню. При цьому достатньо тільки адаптувати сопла для забезпечення витрат води на одиницю площі, еквівалентних витратам, що досягається при роботі в конфігурації з високим тиском. Сопла, що використовуються для здійснення способу відповідно до цього винаходу, слід розташовувати на тій самій відстані від смуги, що й у відомому способі видалення окалини при високому тиску. Можна також відзначити інші додаткові переваги, пов'язані з використанням колекторів низького тиску замість колекторів високого тиску для вторинного видалення окалини, а саме: - Можливість поділу колекторів низького тиску при мінімальних витратах. Поділ колекторів дозволяє робити обробку більш точно, а саме тільки по ширині смуги, що очищується, а не по ширині всього прокатного стану, що дозволяє економити воду, зменшити масу, що циркулює в замкнутому контурі води і, отже, додатково знизити споживання енергії; - Можливість використання колекторів "низького тиску" як інструмент регулювання температури смуги при її вході в чистову кліть; - Менший знос нагнітальних сопел; - Загальне зниження витрат на обслуговування установки (насоси, вентилі, трубопроводи тощо). Зрозуміло, цей винахід не обмежується описаними прикладами і може включати в себе численні варіанти і еквіваленти. Зокрема, слід нагадати, що він стосується будь-якого виду вторинного видалення окалини, тобто видалення окалини, що утворилася при гарячому окисленні металевої поверхні при контакті з навколишнім повітрям. 4 UA 97853 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 20 1. Спосіб вторинного видалення окалини з металевих смуг, а саме, з тих, що переміщають під час гарячої прокатки сталевих смуг шляхом подачі води на їх поверхню за допомогою колекторів з соплами, що подають воду під тиском, який відрізняється тим, що в соплах створюють низький гідравлічний тиск, що не перевищує 30 бар, а зазначені сопла регулюють таким чином, щоб щільність теплового потоку (HF), що виходить зі смуги в результаті 2 охолодження її поверхні водою, яку подають, становила від 6,5 до 20 МВт/м при температурі смуги від 900 до 1100 °С. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що щільність теплового потоку складає від 10 до 11 2 МВт/м при температурі смуги від 900 до 1100 °С. 3. Спосіб за п. 1 або 2, який відрізняється тим, що сопла регулюють таким чином, щоб вони 2 забезпечували витрату води на одиницю площі смуги більше ніж 2500 л/хв./м . 4. Спосіб за п. 3, який відрізняється тим, що витрата води на одиницю площі дорівнює 7500 2 л/хв./м . 5. Спосіб за будь-яким з пп. 1-4, який відрізняється тим, що в соплах створюють гідравлічний тиск від 3 до 10 бар. 6. Спосіб за будь-яким з пп. 1-5, який відрізняється тим, що його здійснюють на вході в чистові кліті стана для гарячої прокатки сталевих смуг. 7. Спосіб за будь-яким з пп. 1-6, який відрізняється тим, що його здійснюють на вході в чорнові кліті стана для гарячої прокатки сталевих смуг. 5 UA 97853 C2 Комп’ютерна верстка М. Ломалова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6